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近年来,我国每年SO2排放总量超过2000万吨,居世界前列。因大量排放SO2而产生的大气污染和酸雨问题对生态环境造成了严重的影响,严重制约了国民经济的可持续发展。目前,工业上主要采用以石灰石(成分CaCO3)为脱硫剂的工艺吸收并分离SO2。该工艺成本低、适用范围广、吸收容量较高,但也面临设备易结垢、堵塞且生成大量副产物的弊端。人类社会和工业生产均要求高效且绿色的SO2分离技术。在这一背景下,离子液体作为SO2吸收剂的应用得到了广泛的关注。离子液体是在室温及相邻温度范围内完全由离子组成的液体物质。具有几乎无蒸汽压、良好的热稳定性以及分子可设计性等独特的优势,并在催化、有机合成以及超临界萃取等领域有着广泛的应用研究。已有文献报道离子液体具有良好的可逆吸收SO2的性能,但面临成本高、黏度高、吸收速率慢等缺点。在此基础上,本课题设计并合成了系列新型的离子液体,并研究其吸收和解吸SO2的性能,以推广离子液体作为SO2吸收剂的工业应用。 本文的主要研究内容包括: (1)不对称四烷基季铵羧酸离子液体设计与合成及其吸收和解吸SO2性能的研究; (2)醇胺羧酸盐离子液体水溶液的设计合成及其吸收和解吸SO2性能测定。 通过上述研究内容,得到如下结论: (1)将三乙基丁基氢氧化铵分别与三种二元羧酸(丙二酸、丁二酸和马来酸)进行中和反应,反应物摩尔比为1∶1,制备出三种弱酸性四烷基铵有机酸离子液体,并表征其结构和基本物理化学性质。实验结果表明,以丙二酸和马来酸为阴离子的离子液体在室温下(25℃)有较低的黏度(分别为170 mPa·s和273 mPa·s)。吸收实验结果表明,40℃下该两种离子液体具有较快的吸收速率(1.5min即可达吸收平衡)和较高的吸收容量(SO2分压为50kpa时,1mol IL分别吸收1.09 mol和1.04mol的SO2)。继而,在80℃下抽真空2h,以解吸离子液体吸收液。实验结果表明,离子液体可以完全解吸出饱和吸收的SO2并可循环使用6次以上,吸收性能基本没有改变。阴离子为丁二酸的离子液体在常温(25℃)下,黏度较大(≥3800 mPa·s),直接将其作为吸收剂进行吸收实验耗时长。本文通过将其与低粘度的普通离子液体([emin]BF4)进行复配为混合液的方法缩短实验时间。通过测定混合液和纯[emin]BF4的溶解度,并计算丁二酸离子液体的吸收容量。计算结果表明,丁二酸离子液体吸收SO2的容量最高(SO2分压为50Kpa时,1molIL吸收1.41 mol SO2),这一发现为高黏度离子液体的工业化应用提供了一条思路。 最后,采用红外光谱手段分析离子液体吸收SO2的机理:在吸收SO2过程中,离子液体中羧基负离子[R—COO-]提供一对孤对电子给SO2形成C—O—S单键,该过程在高温和真空条件下可逆,为离子液体循环使用提供理论基础。 (2)在上述实验研究的基础上,以醇胺(DMEA)阳离子替换四烷基铵([N2224])阳离子继续进行离子液体吸收和解吸SO2的研究。实验共合成研究了三类离子液体(分别为丙二酸、苹果酸、戊二酸三类)。离子液体的合成方法为:二元有机羧酸与醇胺(DMEA)分别以不同的摩尔比(N有机羧酸∶NDMEA=1∶1;1∶1.2;1∶1.4;1∶1.6;1∶1.8;1∶2.0)反应合成。实验过程中发现,由于含DMEA离子液体的黏度较高,不利于直接测定吸收性能,故而将其配制成水溶液进行研究,其中离子液体的质量分数为60%。吸收实验结果表明:合成的离子液体在低压下具有良好的吸收SO2性能。SO2分压为1KPa时,1 mol离子液体能吸收SO20.3mol以上。解吸实验结果表明,该类离子液体水溶液解吸性能较高,重复利用率好。当酸:碱1∶1时,SO2解吸率达95%以上。实验发现,PH范围在4.5~5.5之间的离子液体水溶液具有较好的吸收和解吸性能。通过缓冲溶液理论可以很好地解释该类离子液体水溶液吸收和解吸SO2的过程。 本文研究了专用于吸收SO2的离子液体的合成、表征及其吸收性能。证明了离子液体具有良好的可逆吸收性能,为离子液体作为工业脱硫剂提供了数据基础。